編者按：我國(guó)西南地區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，為了更好地了解西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律及危害特征，探索無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用，有效進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)工作，本文使用V500傾斜版無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，搭載五鏡頭多目攝影相機(jī)，探測(cè)獲取了涼山州龍門(mén)溝泥石流形態(tài)、溝道、物源及分區(qū)等相關(guān)參數(shù)，為泥石流災(zāi)害防治提供了數(shù)據(jù)支持及研究案例，以下為具體內(nèi)容。
基于多目攝影精細(xì)化重構(gòu)的無(wú)人機(jī)泥石流災(zāi)害探測(cè)技術(shù)研究
鄒楊1,2，董秀軍1，張廣澤2，李建強(qiáng)2，李向東2，李天雨2
(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)
摘要：近年來(lái)西南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)中具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文采用垂起固定翼無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，搭載五鏡頭多目攝影相機(jī)，探測(cè)獲取了涼山州龍門(mén)溝泥石流形態(tài)、溝道、物源及分區(qū)等相關(guān)參數(shù)。闡述并討論了五鏡頭多目攝影相機(jī)的優(yōu)勢(shì)和無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)在泥石流災(zāi)害探測(cè)中的具體應(yīng)用方法和應(yīng)用效果，主要得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：(1)五鏡頭多目攝影相機(jī)與傳統(tǒng)單目相機(jī)相比具有能夠從垂直、傾斜多個(gè)不同角度采集數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，獲取的高清影像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)精細(xì)化重構(gòu)后生成的正射影像、三維模型紋理更加全面、分辨率更高；(2)利用精細(xì)化重構(gòu)生產(chǎn)的正射影像和三維模型，解譯出泥石流災(zāi)害區(qū)滑坡、崩塌、巖堆、危巖落石物源總計(jì)21處，并根據(jù)平均厚度和面積估算出各物源物質(zhì)的凈儲(chǔ)量和動(dòng)儲(chǔ)量，為防治設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；(3)無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)具有機(jī)動(dòng)靈活、應(yīng)急性強(qiáng)、勘察范圍大、可溯化強(qiáng)、飛行成本低等優(yōu)勢(shì)，在災(zāi)害探測(cè)中具有較高的推廣價(jià)值和意義。
關(guān)鍵詞：多目攝影；垂起固定翼；精細(xì)化重構(gòu)；泥石流
Research on UAV debris flow disaster detection technology based on fine reconstruction of multi-camera
ZOU Yang1,2，DONG Xiu Jun1，ZHANG Guang Ze2，LI Jian Qiang2，LI Xiang Dong2，ZHANG Ying Xu2
（1. Chengdu University of Technology, Sichuan Chengdu 610059,China; 2.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd, Sichuan Chengdu 610031,China）
Abstract: In recent years, geological disasters have occurred frequently in the southwest region, and unmanned aerial vehicle aerial survey technology has obvious advantages in geological disaster detection. This article uses a suspended fixed wing unmanned aerial vehicle as a platform, equipped with a five lens multi camera camera, to detect and obtain relevant parameters such as debris flow morphology, channels, sources, and zoning in Longmen Gully, Liangshan Prefecture. The advantages of five lens multi camera photography and the specific application methods and effects of drone aerial survey technology in debris flow disaster detection were elaborated and discussed. The main understanding was as follows: (1) Compared with traditional monocular cameras, five lens multi camera photography has the advantage of being able to collect data from multiple different angles of vertical and tilt, and the obtained high-definition image data is finely reconstructed to generate orthophoto images The texture of the 3D model is more comprehensive and has higher resolution；(2) By using refined reconstruction of orthophoto images and three-dimensional models, a total of 21 sources of landslides, collapses, rock heaps, and dangerous rocks in the debris flow disaster area were interpreted. The net and dynamic reserves of each source material were estimated based on the average thickness and area, providing a data basis for prevention and control design；(3) The unmanned aerial vehicle aerial survey technology has advantages such as flexibility, strong emergency response, large survey range, strong traceability, and low flight cost, and has high promotion value and significance in disaster detection.
Key words：Multi camera; Hang up the fixed wing; Refined reconstruction; Debris flow
引言
西南山區(qū)特別是甘孜、阿壩、涼山地區(qū)海拔高，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)活躍，自然環(huán)境復(fù)雜多變，河水深切，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，傳統(tǒng)的“上山到頂、下溝到底”的地質(zhì)調(diào)查法和光學(xué)遙感衛(wèi)星能實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害點(diǎn)的勘察，但是存在以下主要問(wèn)題：①衛(wèi)星分辨率較低，對(duì)某一單一特定區(qū)域的泥石流溝災(zāi)害無(wú)法進(jìn)行精確的定量化勘察；②衛(wèi)星受天氣、云層等自然環(huán)境因素影像較大；③衛(wèi)星拍攝周期長(zhǎng)，無(wú)法獲取泥石流發(fā)生前后短時(shí)間內(nèi)的周期數(shù)據(jù)；④傳統(tǒng)人工地質(zhì)調(diào)查法雖然勘察精度較高，但無(wú)法矢量化、全局化和可溯化，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在這種情況下，必須在地方和區(qū)域兩級(jí)持續(xù)監(jiān)測(cè)泥石流，快速、準(zhǔn)確、高效地獲取災(zāi)害區(qū)多級(jí)數(shù)據(jù)，才能對(duì)泥石流災(zāi)害特征進(jìn)行定性、定量的評(píng)價(jià)分析。
隨著無(wú)人機(jī)硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展和帶有導(dǎo)航模塊的傳感器的技術(shù)進(jìn)步使得利用無(wú)人機(jī)作為遙感平臺(tái)成為了可能[1]。這種可能催生了獲取基于無(wú)人機(jī)的遙感數(shù)據(jù)的新方向。這種方向擁有獲取超高分辨率影像數(shù)據(jù)、綜合光譜和幾何數(shù)據(jù)的能力、同時(shí)還可將多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行融合[2]。曾濤等[3]利用無(wú)人機(jī)技術(shù)快速獲取地質(zhì)的高清遙感數(shù)據(jù)，并得到了地震區(qū)滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的空間位置信息；朱嬋蓮等[4]、葉偉林等[5]、郭晨等[6]將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急搶險(xiǎn)工作之中，取得了很好的效果；董秀軍等[7]、吳振宇等[8]通過(guò)無(wú)人機(jī)平臺(tái)降低了地質(zhì)災(zāi)害勘察的人力物力成本、大大提高了地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)據(jù)獲取處理效率，對(duì)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害加快了處置速度。
本文以垂起固定翼無(wú)人機(jī)作為平臺(tái),搭載五鏡頭多目攝影相機(jī)，在平飛的狀態(tài)下從多個(gè)角度大范圍地快速獲取了龍門(mén)溝泥石流災(zāi)害區(qū)地高清影像數(shù)據(jù)，并利用精細(xì)化重構(gòu)技術(shù)生產(chǎn)出高清度的正射影像和實(shí)景三維模型產(chǎn)品，產(chǎn)品滿足測(cè)繪規(guī)范要求，進(jìn)一步通過(guò)二三維聯(lián)合遙感解譯，解譯出泥石流災(zāi)害區(qū)滑坡、崩塌、巖堆、危巖落石物源總計(jì)21處，并根據(jù)平均厚度和面積估算出各物源物質(zhì)的凈儲(chǔ)量和動(dòng)儲(chǔ)量，為防治設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人工調(diào)查法的不足，為泥石流災(zāi)害區(qū)探測(cè)研究、特征解譯、應(yīng)急處置提供了一種新的思路和技術(shù)參考。[9-17]
1、研究綜述
1.1研究區(qū)概況
龍門(mén)溝泥石流災(zāi)害研究區(qū)位于涼山州甘洛縣境內(nèi)蘇雄鄉(xiāng)附近，為中低山溝谷地貌，匯水面積較大。溝谷狹窄，從溝口至山上約3km處呈 “U”字型，從3km處向上到山頂主要為“V”字型。上游有一條支溝呈“Y”字型發(fā)育。中上部山坡地表植被較發(fā)育，溝槽等低洼地帶覆土較厚。自然坡度10°～50°，局部較陡，危巖落石、崩塌、滑坡等不良地質(zhì)發(fā)育。雨季水量豐富，是典型的暴雨泥石流區(qū)，具體研究位置見(jiàn)圖1。
圖1 研究區(qū)地理位置和高清遙感圖
Fig.1 Geographic location and high-resolution remote sensing map of the study area
1.2研究總技術(shù)路線
針對(duì)所選取的涼山州成昆擴(kuò)能鐵路龍門(mén)溝泥石流災(zāi)害區(qū)山高谷深，地勢(shì)起伏極大等特點(diǎn)，選擇新型垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)V500實(shí)現(xiàn)對(duì)泥石流溝谷區(qū)的高清影像數(shù)據(jù)的快速獲取，研究中采用的總技術(shù)路線圖見(jiàn)圖2。
圖2 研究總技術(shù)路線圖
Fig.2 Research general technical roadmap
2、多目攝影無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集及空間定向數(shù)據(jù)處理流程
多目攝影技術(shù)是通過(guò)無(wú)人機(jī)作為載荷平臺(tái)，在平臺(tái)上搭載五鏡頭高精度光學(xué)鏡頭或多光譜等非接觸式傳感器獲取研究區(qū)內(nèi)地表高清遙感影像數(shù)據(jù)，五鏡頭多目攝相原理如圖3。
圖3五鏡頭多目相機(jī)與單鏡頭相機(jī)原理對(duì)比圖
Fig. Comparison diagram of principles between five lens multi camera and single lens camera
2.1多目攝影數(shù)據(jù)獲取流程
龍門(mén)溝泥石流溝谷區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，溝谷深切，溝道最低點(diǎn)海拔約830m，兩側(cè)物源區(qū)高山最高點(diǎn)海拔約2193m，高差達(dá)到1363m，飛行難度極大，為了確保飛行安全，避免無(wú)人機(jī)撞山引發(fā)飛行事故，將固定翼無(wú)人機(jī)飛行相對(duì)高度設(shè)置為1339m~1549m，在山腰處起飛，地面分辨率10cm/px，航向和旁向重疊度均設(shè)置為70%。
此外利用飛馬無(wú)人機(jī)管家實(shí)現(xiàn)對(duì)泥石流溝谷區(qū)的航線規(guī)劃，采用五鏡頭在一個(gè)曝光點(diǎn)以不同角度獲取5張地面影像數(shù)據(jù)，以固定翼平飛的模式實(shí)現(xiàn)傾斜攝影，共計(jì)獲取溝谷區(qū)精細(xì)化重構(gòu)影像1775張，作業(yè)面積8.857平方公里，共計(jì)6條航線。具體航線布設(shè)見(jiàn)圖4。
圖4 無(wú)人機(jī)航線規(guī)劃圖
Fig.4 UAV route planning diagram
2.2多角度影像精準(zhǔn)匹配定向處理
經(jīng)過(guò)空三解算后，從多目相機(jī)采集的高清影像中選取一定間隔距離分布于溝谷地區(qū)的明顯的地物特征點(diǎn)進(jìn)行相片刺點(diǎn)，刺點(diǎn)以GCD+點(diǎn)號(hào)命名（圖5），并作為精準(zhǔn)匹配定向的地面控制點(diǎn)，由施工隊(duì)測(cè)量人員通過(guò)引取CPⅢ控制點(diǎn)以導(dǎo)線測(cè)量測(cè)量的方式獲取其精確坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)影像的絕對(duì)定向和點(diǎn)精度校正。
圖5 相片刺點(diǎn)、地面控制點(diǎn)布設(shè)圖
Fig.5 Photo prick point and ground control point layout
2.3精度分析
本次泥石流災(zāi)害溝谷區(qū)三維實(shí)景模型采用smart3D軟件生成，正射影像DOM和數(shù)字表面模型DSM利用PIX4D軟件生產(chǎn)，根據(jù)PIX4D質(zhì)量報(bào)告顯示本次處理航測(cè)地面分辨率GSD為11.7cm/pixel，明顯高于1549m飛行高度固定翼單鏡頭飛行的地面分辨率，生產(chǎn)正射影像耗時(shí)30分16秒，生產(chǎn)數(shù)字表面模型DSM耗時(shí)52分55秒，數(shù)據(jù)處理時(shí)間和質(zhì)量均為最佳。研究區(qū)平面較差絕對(duì)值的最大值為0.3m，平面中誤差為±0.18m，高程較差絕對(duì)值的最大值為0.9m， 高程中誤差為±0.23m，符合《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量 內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GH/Z3003—2010）規(guī)范相關(guān)要求。
3、龍門(mén)溝泥石流災(zāi)害特征提取分析
3.1泥石流地形特征提取與分析
龍門(mén)溝流域內(nèi)老成昆鐵路既有線鐵路橋位于溝口，新建成昆擴(kuò)能工程依布雙線大橋位于既有線上方靠山側(cè)，根據(jù)泥石流物源區(qū)遙感解譯和地形特征提取分析的需求，獲取泥石流后方物源區(qū)及溝谷區(qū)無(wú)人機(jī)航測(cè)成果數(shù)據(jù)（圖6）。
(a)溝谷區(qū)數(shù)字正射影像(DOM)、(b)溝谷區(qū)數(shù)字地表模型(DSM)
(c)溝谷區(qū)三維重構(gòu)實(shí)景模型、(d)溝谷區(qū)三維數(shù)字地表模型
圖6 五鏡頭高清影像精細(xì)化重構(gòu)成果數(shù)據(jù)
Fig.6 Five-lens high-definition image fine reconstruction result data
根據(jù)精細(xì)化重構(gòu)后生產(chǎn)的DOM正射影像圖和實(shí)景三維模型量測(cè)得到龍門(mén)溝平面圖(圖7)，龍門(mén)溝流域呈狹長(zhǎng)形，主溝槽長(zhǎng)約15.747km，主要的支溝總長(zhǎng)4km，流域面積51.466km2，溝谷區(qū)內(nèi)海拔最高點(diǎn)2800m，最低點(diǎn)740m，相對(duì)高差約2060m。
圖7龍門(mén)溝泥石流溝谷平面圖
Fig.7 Plan of Debris Flow Gully in Longmen Valley
由生產(chǎn)出的溝谷區(qū)三維DSM數(shù)字表面模型解譯可知溝谷區(qū)總體上呈上陡下緩趨勢(shì)，總體坡度平均約8.6°（縱橫比0.151）；1號(hào)主支溝長(zhǎng)度800m，總體坡度為42°；2號(hào)主支溝長(zhǎng)度3200m，總體坡度為30°，其中后側(cè)靠山處最陡，坡度約60°。
4、物源及分區(qū)
4.1物源分區(qū)遙感解譯
如圖8所示，利用精細(xì)化重構(gòu)生產(chǎn)的數(shù)字正射影像和三維實(shí)景模型開(kāi)展二三維綜合遙感解譯工作，依照滑坡、崩塌典型解譯標(biāo)志對(duì)溝谷兩側(cè)岸坡進(jìn)行遙感解譯，結(jié)果表明溝內(nèi)物源主要來(lái)自于四種不良地質(zhì)：主要滑坡物源3處、主要崩塌物源14處、主要巖堆物源2處、主要危巖落石2處，為潛在崩塌。主要滑坡物源分布在主溝中下游，崩塌物源在主溝上中下游均有分布，主要分布在主溝中上游，巖堆物源主要分布于主溝中下游，危巖落石物源分布于主溝中下游。
圖8 龍門(mén)溝全域物源及分區(qū)遙感解譯圖
Fig.8 Remote Sensing Interpretation Map of the Whole Area Source and Division in Longmen Valley
唐川[18]等提出了震區(qū)崩、滑坡面積與其厚度關(guān)系，利用該關(guān)系可推導(dǎo)出崩、滑區(qū)域平均厚度：
t=1.431n(SL)-4.985 (1)
式中：t為崩、滑坡平均厚度(m)；SL為崩、滑坡面積(㎡ )[19]。結(jié)合喬建平[20]和張友誼[21]的震區(qū)泥石流物源儲(chǔ)量評(píng)價(jià)方法，利用式(1)所計(jì)算得到的平均厚度值和GIS技術(shù)對(duì)龍門(mén)溝DSM模型所統(tǒng)計(jì)得到的崩滑坡面積，可估算預(yù)測(cè)出龍門(mén)溝下一次泥石流發(fā)生時(shí)松散物源凈儲(chǔ)量為20.57×106m3，最大動(dòng)儲(chǔ)量為96.3×104m3。滑坡物源凈儲(chǔ)量為83.48×105m3，動(dòng)儲(chǔ)量為29.48×104m3，總凈儲(chǔ)量占比約40%；崩塌物源凈儲(chǔ)量為49.59×105m3，動(dòng)儲(chǔ)量為36.25×104m3，總凈儲(chǔ)量占比約24%；巖堆物源凈儲(chǔ)量為36.64×105m3，動(dòng)儲(chǔ)量為30.59×104m3，總凈儲(chǔ)量占比約36%。
4.2泥石流防治建議
（1）修建泥石流導(dǎo)流槽，并設(shè)計(jì)一定縱坡，使泥石流能順暢通過(guò)，及時(shí)排入尼日河。
（2）泥石流導(dǎo)流槽高度要考慮泥石流超高。
（3）泥石流爆發(fā)時(shí)可能在溝內(nèi)局部形成堵塞、形成暫時(shí)性堰塞湖，造成更大的破壞力。
（4）對(duì)溝口布置的施工營(yíng)地和場(chǎng)地，汛期應(yīng)安排專(zhuān)人值班、巡視溝道；同時(shí)監(jiān)測(cè)山洪和泥石流發(fā)生前的征兆，提前判斷、超前預(yù)報(bào)，一旦發(fā)生山洪泥石流，應(yīng)及時(shí)組織搶險(xiǎn)救災(zāi)。
5、結(jié)論
本文利用垂起固定翼無(wú)人機(jī)搭載五鏡頭多目攝影相機(jī)在涼山州龍門(mén)溝泥石流災(zāi)害探測(cè)工作中，快速獲取了泥石流溝谷區(qū)多角度大范圍高清低空遙感數(shù)據(jù)，對(duì)物源物質(zhì)進(jìn)行了遙感解譯分區(qū)和估算，同時(shí)快速的獲取了災(zāi)害區(qū)幾何特征參數(shù)，為災(zāi)害的防治設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠有效保障下游人民群眾和鐵路大橋等基礎(chǔ)設(shè)施的安全，同時(shí)得出如下結(jié)論：
（1）五鏡頭多目攝影和精細(xì)化重構(gòu)技術(shù)能夠大大地提高固定翼無(wú)人機(jī)勘察的精度，同時(shí)又遠(yuǎn)比旋翼機(jī)勘察范圍更大，在精度方面，平面較差、中誤差和高程較差、中誤差均滿足《低空數(shù)字航空攝影測(cè)量 內(nèi)業(yè)規(guī)范》（GH/Z3003—2010）規(guī)范相關(guān)要求。
（2）龍門(mén)溝泥石流流域呈狹長(zhǎng)形，主溝槽長(zhǎng)約15.747km，主要的支溝2條，總長(zhǎng)4km，流域面積51.466km2，溝谷區(qū)內(nèi)海拔最高點(diǎn)2800m，最低點(diǎn)740m，相對(duì)高差約2060m，主溝總體坡度平均約8.6°（縱橫比0.151）。
（3）利用精細(xì)化重構(gòu)生產(chǎn)的正射高清影像(DOM)和三維實(shí)景模型進(jìn)行二三維綜合遙感解譯，共判識(shí)出主要滑坡物源3處、主要崩塌物源14處、主要巖堆物源2處、主要危巖落石2處，并根據(jù)平均厚度和面積估算出各物源物質(zhì)的凈儲(chǔ)量和動(dòng)儲(chǔ)量，為防治設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
（4）五鏡頭多目攝影設(shè)備和精細(xì)化重構(gòu)技術(shù)能快速獲取低空高清遙感數(shù)據(jù)。大大的節(jié)約了災(zāi)害處置的人力成本，提高了災(zāi)害處置在數(shù)據(jù)獲取和內(nèi)業(yè)處理的效率，有效的保障了地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置的時(shí)效性，具有極大的推廣價(jià)值和意義。
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注：本文獲作者授權(quán)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸作者所有。
